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1、第五章 四元水盐体系相图的应用,第一节 硝酸钾生产的相图分析第二节 加水法从人造光卤石制取氯化钾的相图分析,第一节 硝酸钾生产的相图分析,一、硝酸钾生产概述 硝酸钾（KNO3）是含氮、钾元素的复合肥料，主要用于园艺作物。硝酸也用于食品工业和玻璃工业，还用来制造火药和烟火。在自然界中天然硝酸钾的矿藏量不多。我国古代最早制出硝酸钾并用于制取火药。直到目前，广大农村仍从草木灰提取硝酸钾。,第一节 硝酸钾生产的相图分析,一、硝酸钾生产概述 在实验室，制取硝酸钾一般用硝酸中和氢氧化钾（钾碱、苛性钾）来制取硝酸钾，即KOH+HNO3=KNO3+H2O 在工业生产中，用硝酸中和氢氧化钾的生产方法很少采用，因
2、为所用的原料钾碱（或称苛性钾、氢氧化钾）和硝酸都比较贵重。目前广泛采用的是转化法制取硝酸钾。此外由氮氧化物和氯化钾制取硝酸钾，阳离子交换法制取硝酸钾。转化法主要用硝酸钠（NaNO3）和氯化钾（KCl）的复分解反应来制取：KCl+NaNO3=KNO3+NaCl也可用其它硝酸盐和氯化钾、硫酸钾或碳酸钾进行复分解反应来制取硝酸钾，例如：KCl+NH4NO3=KNO3+NH4Cl,第一节 硝酸钾生产的相图分析,二、K+、Na+/Cl-、NO3-+H2O系统相图1恒温图单固相溶解度曲面 面积ae1p1e4a LA KNO3的饱和面 面积be2p1e1b LB NaNO3的饱和面 面积ce3p2p1e2c
3、 LC NaCl的饱和面 面积de4p2e3d LD KCl的饱和面,第一节 硝酸钾生产的相图分析,二、K+、Na+/Cl-、NO3-+H2O系统相图1恒温图两盐共饱线 e1P1 LA+B KNO3和NaNO3的共饱线 e2P1 LC+B NaCl和NaNO3的共饱线 e3P2 LC+D NaCl和KCl的共饱线 e4P2 LA+D KNO3和KCl的共饱线 P1P2 LA+C KNO3和NaCl的共饱线,第一节 硝酸钾生产的相图分析,二、K+、Na+/Cl-、NO3-+H2O系统相图1恒温图三盐共饱点 P1 LA+B+C KNO3、NaNO3和NaCl的共饱点P2 LA+D+C NaCl、K
4、Cl和KNO3的共饱点,第一节 硝酸钾生产的相图分析,二、K+、Na+/Cl-、NO3-+H2O系统相图1恒温图几何体代表的相区 体积ce3p2p1e2Cc LC+C NaCl结晶及其饱和溶液的两相区体积de4p2e3dD LD+D KCl结晶及其饱和溶液的两相区体积ae1p1e4aA LA+A KNO3结晶及其饱和溶液的两相区体积be2p1e1bB LB+B NaNO3结晶及其饱和溶液的两相区,第一节 硝酸钾生产的相图分析,二、K+、Na+/Cl-、NO3-+H2O系统相图1恒温图 体积e2p1BC LB+C+（B+C）NaNO3、NaCl结晶及其共饱液的三相区，见图5-2（b），此外还有四
5、个三相区。,图5-2 多相区划分图,第一节 硝酸钾生产的相图分析,二、K+、Na+/Cl-、NO3-+H2O系统相图1恒温图 四面体P1ABC LA+B+C+（A+B+C）是KNO3、NaNO3和NaCl结晶及其共饱液的四相区，见图5-2（C）。另一个四相区是体积P2ADC LA+D+C+（A+D+C）是KNO3、KCl和NaCl结晶及其共饱液的四相区。,图5-2 多相区划分图,第一节 硝酸钾生产的相图分析,二、K+、Na+/Cl-、NO3-+H2O系统相图2投影图,图6-3 100下K+、Na+/Cl-、NO3-+H2O系统相图,第一节 硝酸钾生产的相图分析,二、K+、Na+/Cl-、NO3
6、-+H2O系统相图3多温图 可以看出，在所示的温度范围内，系统的性质没有质的变化，只有量的变化，即在5100之间，没有复盐和水合物生成，但各种盐的溶解度都有较大的改变。在高温下NaCl的相对溶解度最小，低温下KNO3的相对溶解度最小（对此两种盐而言）。,图6-5 K+、Na+/Cl-、NO3-+H2O系统多温相图,第一节 硝酸钾生产的相图分析,三、转化法制取硝酸钾生产的基本方法,第一节 硝酸钾生产的相图分析,三、转化法制取硝酸钾生产的基本方法,图5-6 K+、Na+/Cl-、NO3-H2O四元交互系统100和5干盐图,1.根据（手册提供的）数据，绘出100及5的干盐相图，如图5-6：2.分析相
7、图，制定出原则流程，由图我们可以清楚地看出：由5时的恒温干盐图可知，其KNO3的结晶区（即饱和面）很大，而NaCl的结晶区很小。相反，由100时的恒温干盐相图可知，NaCl的结晶区很大，而KNO3的结晶区（即饱和面）很小，根据以上两个特点，我们可以确定制取KNO3的流程。采取100时蒸发法提取NaCl；采取冷却法析出KNO3。,三、转化法制取硝酸钾生产的基本方法,图5-6 K+、Na+/Cl-、NO3-H2O四元交互系统100和5干盐图,（一）、不循环法流程1.等当量（mol）点配料：以等当量（mol）KCl和NaNO3混合物为原始组成，其组成点如图中的点a，组成点a恰处于100时NaCl的结
8、晶区中KCl+NaNO3 a；,三、转化法制取硝酸钾生产的基本方法,（一）、不循环法流程2.蒸发：在100时蒸发此溶液，饱和后有NaCl的结晶析出，液相组成点沿ab方向移动，达到b时，KCl也已饱和，但未析出。滤出NaCl得到母液b，操作线为ab。NaCl析出量可由直线Ab求出，即；,三、转化法制取硝酸钾生产的基本方法,图6-6 K+、Na+/Cl-、NO3-H2O四元交互系统100和5干盐图,（一）、不循环法流程3.冷却盐析：把母液b冷却到5，b点落入KNO3结晶区。5蒸发此溶液，则液相沿bP2方向移动，到达P2时，NaCl、KCl同时饱和，但未析出。滤去KNO3得母液P2，过程操作线bP2
9、返回系统，配入一定量的原料NaNO3和KCl可开始第二个循环，每次循环该过程的液相点都在b、P2间变化。KNO3析出量MC可由直线CP2求出，即,三、转化法制取硝酸钾生产的基本方法,（一）、不循环法流程 由图，我们可以看出采用上述方法，由于a、b两点很近，即操作线ab、bP2很短，每一次循环所得产品不多，即产率不高。而母液循环量大，反复加热、冷却很不经济。所以一般将母液废弃而不进行循环操作。这样就势必造成原料的损失。,三、转化法制取硝酸钾生产的基本方法,（二）、循环法流程1.a点配料（非等摩尔点配料）：配料点a为对角线BD和AP2连线的交点，KCl和NaNO3的配料比 由图中可以清楚地看到Na
10、NO3是过量的，也就是说它是非等当量（mol）点配料，a点处于100时的NaCl结晶区中KCl+NaNO3 a；,三、转化法制取硝酸钾生产的基本方法,图6-6 K+、Na+/Cl-、NO3-H2O四元交互系统100和5干盐图,（二）、循环法流程2.蒸发盐析（NaCl）：在100时蒸发溶液，液相组成点由 a到达P2点时KCl、KNO3同时饱和但未析出，NaCl析出量可由直线AaP2求出，即滤去NaCl得母液P2，过程操作线aP2。与不循环法中该过程相比，从图中显见操作线比ab长的多，而线段Aa与Aa相差无几，因此，与不循环流程相比较，NaCl析出量增多了，而母液量P2相应减少了。,（二）、循环法
11、流程3.冷却盐析（KNO3）：将母液P2冷却到5，P2点落入KNO3结晶区，5时蒸发此溶液，液相沿P2d移动，到达d时，NaCl也饱和但未析出，KNO3析出量MC可由直线Cd求出，即从图中可见，操作线P2d比P2b长，而CP2又比Cb短，故KNO3的产率比不循环法中的大为增加，滤去KNO3，得母液d，过程操作线为P2d,（二）、循环法流程 母液d再加等当量（mol）物料（NaNO3：KCl=11）a混合到K点，以后循环过程为K P2 d K，即在此三点间循环变化。,（三）、工艺计算（不循环法）1.在100蒸发由a到b的过程计算(以干盐总和1mol为基准计算)溶液a 溶液b由K+平衡解出Z：0.
12、5=0.59Z Z=0.847由Na+平衡解出Y：0.5=Y+0.41Z Y=0.152由H2O平衡解出X：3.5=X+0.83Z X=1.100即100蒸发到b时，共蒸发了1.1mol的水，析出0.152mol的NaCl。,（三）、工艺计算（不循环法）2.计算将NaCl分离后液相b冷却到5，并使液相变到C时的KNO3析出量。C点的成分如上法求出，列出物料平衡表 溶液b 溶液C 解得：V=0.459；u=0.393；W=-0.500。,第二节 加水法从人造光卤石制取氯化钾的相图分析,人造光卤石是利用苦卤生产氯化钾过程中的一种中间物料，其大致组成（重量%）为：将含量很少的MgSO4忽略不计，人造
13、光卤石可看成属于简单四元体系。,该体系25相图可见图5-17，10、40、75、100的干基图、水图见图5-18。(1)光卤石Car是一种不相称复盐，加水时分解为KCl。(2)温度低更利于KCl的结晶析出。(3)KCl、NaCl共饱线是一条曲线，它是向着KCl顶点弯曲的，也就是说，当KCl、NaCl共饱时，溶解度要沿着这样一条弯曲的曲线变化。,一人造光卤石的加水过程1M点的蒸发过程,一人造光卤石的加水过程2加水过程,二加水法的基本流程1一次加水法流程,300,200,100,25,C,0,A,（NaCl）,（NaCl）,A,（MgCl2）,C,（MgCl2）,（KCl）,B,P,K,R,F,M
14、,Q,G,N,S,K,B,F,R,G,M,Q,N,S,B,（KCl）,P,M1,M2,M3,N2,N1,S1,S2,图5-19 人造光卤石加水制KCl的相图分析,二加水法的基本流程2两次加水（完全分解）法流程,300,200,100,25,C,0,A,（NaCl）,（NaCl）,A,（MgCl2）,C,（MgCl2）,（KCl）,B,P,K,R,F,M,Q,G,N,S,K,B,F,R,G,M,Q,N,S,B,（KCl）,P,M1,M2,M3,N2,N1,S1,S2,图5-19 人造光卤石加水制KCl的相图分析,二加水法的基本流程3两次加水（不完全分解）法流程,300,200,100,25,C,0,A,（NaCl）,（NaCl）,A,（MgCl2）,C,（MgCl2）,（KCl）,B,P,K,R,F,M,Q,G,N,S,K,B,F,R,G,M,Q,N,S,B,（KCl）,P,M1,M2,M3,N2,N1,S1,S2,图5-19 人造光卤石加水制KCl的相图分析,Z,
